Комбинированная обработка при нестационарных режимах

Рассмотрены процессы влияния многокомпонентности рабочих сред на стационарность протекания анодного растворения материала детали

С точки зрения формообразования поверхностей все процессы анодного растворения можно классифицировать как процессы протекающие при стационарных и нестационарных режимах.

Нестационарный режим наблюдается в случае если форма анода является функцией z = f_a (x, y) в системе координат, связанной с катодом. При этом наблюдается зависимость этой функции от времени обработки. Такой режим встречается при обработке неподвижным катодом, при обработке поступательно движущимся катодом, но с неравномерной скоростью, а также в начальной стадии обработки подвижным катодом. Кроме того данный режим характерен для многокомпонентных рабочих сред, что характерно для комбинированного формообразования сложнопрофильных поверхностей.

Сформулируем основные особенности формообразования поверхностей при нестационарном режиме в случае комбинированной обработки многокомпонентными рабочими средами.

В качестве начального условия возьмем положение, что в некоторое время  известно распределение плотности тока на поверхности анода. Если плотность тока является функцией геометрических координат на аноде, то можно записать выражение

, (1)

где g₁ – величина съема материала,

A – выход по току,

_э – электрохимический эквивалент вещества,

i – ток проходящий через электроды,

 - время работы.

Выражение (1) справедливо для каждого малого обрабатываемого участка детали. Тогда за время  величина съема материала на участке будет зависеть от геометрических координат и определяться по формуле

, (2)

где g(x,y,z) - величина съема материала зависящая от координат,

x, y, z – геометрические координаты,

i_а – ток проходящий через анод.

Отсюда скорость съема материала

. (3)

При этом считаем, что за малое время  конфигурация межэлектродного пространства существенно не меняется и остаются постоянными все параметры обработки. Следовательно, за интервал  распределение тока также существенно не меняется. Линии тока при эквипотенциальной анодной поверхности входят нормально в эту поверхность. Поэтому элементарный съем происходит по нормали к поверхности анода.

Если в момент времени  форма анода в системе координат, связанной с катодом, описывалась уравнением z = f_a(x,y), то направление нормали к любой точке поверхности анода x, y, z определяется отношением

. (4)

где

и .

Косинусы углов вычисляются по формулам

;

;

.

За время  элементарная площадка анода переместится в направлении своей нормали n на расстояние

, (5)

где n – перемещение элементарной площадки,

d_a - удельная плотность материала анода.

Перемещение точки с координатами x_i, y_i, z_i в направлении нормали эквивалентно перемещению этой точки по трем координатам x, y, z на расстоянии x, y, z, где

;

;

.

Таким образом, в результате анодного растворения за время  форма анода изменяется и описывается уравнением

, (6)

где - функция характеризующая изменение формы анода за время :

. (7)

Изменение формы анода в конце интервала времени  вызывает изменение некоторых условий обработки, например гидродинамического режима, электродных потенциалов, а также конфигурации межэлектродного пространства. Эти изменения приводят к перераспределению тока, и в следующий малый интервал  необходимо рассчитать новое распределение тока, которое считается постоянным в течении следующего промежутка .

При комбинированной обработке с применением многокомпонентных рабочих сред могут быть использованы следующие способы регулировки межэлектродных зазоров.

1. При работе с неподвижныой деталью и гидравлическим элементом (форсункой) межэлектродный зазор постоянно возрастает, скорость анодного растворения снижается. Режим изменяется в течение обработки заготовки, то есть является нестационарным. В начале процесса анодного растворения место подвода технологического тока находится относительно заготовки на расстоянии S₀. Через некоторое время  граница обрабатываемой поверхности заготовки переместится, и зазор возрастает на толщину удаленного слоя материала детали. Обозначив ось Х, направленную по потоку электролита, и ось Y, перпендикулярную обрабатываемой поверхности заготовки, получим из уравнения

₍₈₎

где U – напряжение используемое на анодное растворение металла;

 - плотность материала;

s – величина зазора,

скорость растворения металла, записанную через dy/d, то при постоянном выходе по току А=const:

. (9).

Проинтегрировав выражение (9), получим:

, (10)

где S_K – межэлектродный зазор при окончании обработки:

. (11)

2. При постоянной скорости подачи гидравлического сопла, и как следствие, многокомпонентной рабочей среды к поверхности детали, режим обработки с течением времени становится близким к стационарному. Пусть скорость подачи является величиной постоянной V_и=const. Если эта скорость подачи меньше, чем скорость анодного растворения металла, то зазор постепенно увеличивается. Это приводит к снижению скорости удаления материала. Через некоторое время скорость подачи инструмента и скорость растворения материала заготовки выравниваются и режим становится стационарным. При повышении скорости подачи электрода-инструмента над скоростью растворения металла также происходит саморегулирование зазора. Устанавливается стационарный режим (S_y=const). Тогда из уравнения (8):

. (12)

Рассмотрим случай нестационарного процесса, когда начальный зазор S₀ больше установившегося S_у, определяемого по формуле (12). Скорость изменения зазора ds/d=AU/(s) - V_и, где V_и – скорость подачи инструмента. Учитывая, что =AU/=V_иs_у, находим

или . (13)

Проинтегрировав это уравнение по времени от 0 до , при изменении зазора от S₀ до S_K получим

. (14)

Если начальный зазор меньше установившегося, то

. (15)

Из уравнений (14, 15) можно определить установившийся зазор и зазор в конце обработки, а также время обработки .

3. При периодическом перемещении (приближении) электрода-инструмента относительно заготовки через определенные промежутки времени отключают рабочий ток, подводят электрод-инструмент на расчетное расстояние и вновь включают рабочий ток. Между циклами работы и подвода инструмента его либо оставляют неподвижным относительно заготовки, либо перемещают к ней или от нее со скоростью рабочей подачи.

В момент включения рабочего тока зазор S равен расчетному значению. Далее, в зависимости от схемы перемещения электрода-инструмента между циклами его подвода зазор либо возрастает по выражению (11), либо остается постоянным. Время между циклами измеряется секундами, поэтому изменение зазора во времени незначительно и в расчетах его можно принимать равным расчетному, а режим считать стационарным.

Комбинированную обработку обработку с неподвижным гидравлическим элементом применяют при необходимости выравнивания припуска Z на обрабатываемых поверхностях. При этом расчет основных технологических параметров процесса производят только для участков с минимальным и максимальным значением Z. Все неравномерности припуска в пределах этих значений в меньшей степени влияют на погрешности обработки.

При комбинированной обработке многокомопнентными рабочими средами скорость анодного растворения, и точность обработки тем выше, чем меньше межэлектродный зазор. Однако с уменьшением зазора усложняется процесс его регулирования, возрастает сопротивление прокачке электролита, может произойти пробой, вызывающий повреждение обрабатываемой поверхности. А главное, минимальная величина зазора ограничесна размерами наполнителя рабочих сред. Из-за увеличения размеров наполнителя при малых зазорах и с учетом профиля обрабатываемой поверхности может произойти закупоривание межэлектродного промежутка. Следует выбирать такой размер зазора. При котором достигаются оптимальные скорость съема металла, точность формообразования и возможно использование токопроводящего наполнителя рабочих сред.

Литература

1. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов. Учеб. пособие (в 2-х томах). Т. I. Обработка материалов с применением инструмента/Под ред. В.П. Смоленцева. – М.: Высш. шк., 1983. – 247 с., ил.

2. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки//Г.Л. Амитан, И.А. Байсупов, Ю.М. Барон и др.; Под общ. ред. В.А. Волосатова. – Л.: Машиностроение. Ленинград. отд-ние, 1988. – 719 с.: ил.

3. Электрохимическая обработка металлов. Мороз И.И. и др., М., «Машиностроение», 1969, 208 стр.

Воронежский государственный технический университет

УДК 001.891.32

А.А. Кузовкин